La etapa de procesado de la señal consiste en transformar la señal eléctrica con la finalidad de extraer de ella, la información que se esta buscando. Las operaciones que se involucran en esta parte del proceso pueden ser lineales, no lineales, de composición de múltiples señales o de procesado digital de señales. El registro de la señal consiste en el almacenamiento permanente o temporal de las señales para su posterior análisis o evaluación, principalmente depende de la capacidad de procesamiento de que se dispone. Los métodos de registro utilizados actualmente se basan en procesadores, con bancos de memoria masiva de diversos tipos.
La presentación de la información se lleva mediante el uso o aplicación de las interfaces disponibles en cada aplicación, con el fin de presentarla de una manera adecuada, elaborada e integrada y que se preste a la fácil interpretación del usuario. Actualmente el despliegue de información es elaborado de manera grafica con el uso de centros de cómputo, facilitando la interacción con el usuario. Ya con la información almacenada y desplegada se puede obtener el análisis del sistema físico, comprender su funcionamiento, desarrollo, característica, etc. La información muestra el estado del sistema a tratar, cuando el sistema es reactivo se debe estimular el sistema mediante señales generadas por la propia instrumentación con el fin de medir cualquier magnitud, en este tipo de sistemas el estimulo y el proceso de medida deben estar sincronizados, de manera que la señales que resulten de un estimulo sean las analizadas.
En el proceso del sistema de instrumentación se requiere el uso de tecnología para conformar de manera física dicho sistema, la aplicación de tecnología electrónica es la mas común por sus ventajas significativas sobre las demás, como son el permitir un rango dinámico de tiempos mas amplio, las señales eléctricas se adecuan mas a las formas de transmisión de datos como son los cables, sistemas radiados, fibra óptica, etc. La amplificación de circuitos electrónicos es muy eficiente, manejándose rangos de valores muy amplios, permiten transformaciones funcionales complejas de las señales, las señales eléctricas resultan más apropiadas para introducirse en un procesador, permitiendo un medio potente de registro, transformación y presentación de información, la tecnología electrónica actual presenta mejor costo.
Uno de los avances mas significativos en el desarrollo de complejos sistemas de prueba y evaluación controlados por computadora son los sistemas ATE (Automated test equipment), los cuales se encuentran conformados por un instrumento de medida tradicional, una computadora de software especifico y un sistema de co municaciones.
Actualmente muchos sistemas de instrumentación están basados en sistemas computacionales, dicho sistema resuelve todos los aspectos relacionados con el procesado de la señal, registro, transferencia y la presentación de información. La diferencia que existe con un sistema de instrumentación convencional es la capacidad de registro de información de forma automática y la manera integrada de presentarla al usuario. La instrumentación digital requiere del uso de transductores y circuitos analógicos que acondicionen la señal a niveles adecuados para facilitar la codificación por el convertidor A/D, por otra parte el procesado, elaboración y presentación del resultado en la medida se realizan utilizando software.
Al incorporar un procesador las señales que se adquieren pueden ser procesadas sin límite de complejidad y sofisticación utilizando diversas técnicas, como son las numéricas o estadísticas, con el propósito de acondicionarla y extraer de ella la información. Las ventajas del uso de elementos digitales en la instrumentación son proporcionar mayor capacidad de procesar, almacenar y presentar información, menor costo, resultado de la estandarización del hardware requerido para la construcción de los equipos, el incremento en la facilidad de diseñar y mantener los equipos, mayor flexibilidad en los sistemas de instrumentación.
La aplicación del procesador requiere de la representación numérica de la información analógica y continua en el tiempo que es propia de los sistemas físicos. Esto genera resolver el proceso de discretizacion en el cual las perdidas de información sean las mínimas posibles. En el proceso de muestreo los valores infinitos de una señal continua en el tiempo son representados mediante una secuencia finita de valores que corresponden a los valores de la señal en un conjunto finito de instantes, implicando cierta perdida de información que contiene la señal.
El proceso de discretizacion implica la codificación de un valor analógico mediante un código numérico, teniendo en consecuencia la introducción de un ruido que degrada la información que transfiere. Existen diversos códigos numéricos, sin embargo la mayoría de las aplicaciones se realizan en código binario, ya que facilita el transporte de información así como la interpretación. Un convertidor A/D que codifica una tensión analógica utilizando código binario se caracteriza por tener un amplio rango dinámico, es decir, los valores de tensión de entrada que pueden ser codificados, la polaridad o capacidad de admitir tensiones de entrada de polaridad diferente, resolución, que es el rango de entrada que corresponde a cada código de salida y se expresa como el numero de bits de código que genera en su salida, error de cuantizacion, que es la diferencia entre el valor de la entrada y el valor que corresponde al código de salida y tiempo de conversión, es el máximo tiempo transcurrido entre el inicio de la conversión y se encuentra disponible el código de salida.
En lo que respecta al entorno de un sistema de instrumentació n digital, este requiere operar siempre con disposiciones de tiempo real, lo cual presenta un problema en el desarrollo de software con este tipo de requerimientos. La utilización de equipos de instrumentación de propósito especifico resuelve este problema, ya que con ellos se realiza la ejecución de las tares criticas y deja para el instrumentista el desarrollo del software de tipo convencional, el cual realiza el control y coordinación de los equipos, y la recuperación, integración y presentación al procesador de la información que proporcionan dichos equipos.
Las ventajas de estos sistemas son la construcción de estructuras complejas de instrumentación utilizando equipos sencillos de bajo costo, permiten llevar a cabo operaciones de cierto nivel de complejidad que se pueden repetir en periodos de tiempos relativamente cortos y no requieren desarrollo de software con requerimientos de tiempo real.
Los sistemas ATE guardan una cierta dependencia respecto a los sistemas de adquisición de datos y para lograr la interconexión de los diversos sistemas electrónicos de medida existe un amplio numero de protocolos específicos a esta aplicación, como son el bus de interfaz de propósito general (GPIB), el VXI (VME, Bus extensión for instrumentation), PXI/CompactPCI (PCI extensión for instrumentation), MXI (Multisystem instrument interface), buses de campo, etc.
La arquitectura de un entorno computarizado se encuentra definida por el bus de comunicaciones, el cual establece la interacción y operatividad entre los equipos, definiendo los modos de transferencia tanto de comandos de control como de información entre ellos. Es recomendable que en un sistema instrumental el bus de comunicaciones debe corresponder a un estándar. Los tipos de buses se utilizan de acuerdo a las características de despliegue que se requieran, para instalaciones cercanas o de escala pequeña, se utiliza el bus XMI o el bus VME, en las instalaciones de escala mediana, el bus GPIB o IEEE 488, USB, CAN bus, equipos instalados en gran escala, Ethernet o X.25.
Cada instrumento es diseñado para realizar una medición en específico por lo que los usuarios pueden incrementar el número de instrumentos para crear un sistema completo de medición, esto conlleva un incremento en el espacio de trabajo requerido. Con el origen del GPIB los usuarios son capaces de controlar sistemas de instrumentación de forma remota mediante una secuencia de órdenes, dando origen al término de instrumentación programable. Los instrumentos programables son una combinación de computadora de propósito general con instrumentos tradicionales y de nueva generación; estos instrumentos pueden alcanzar nuevos niveles de ejecución y flexibilidad al combinar rutinas de software con nuevas clases de hardware de instrumentación.
Con la implementación de nuevas técnicas de control de instrumentos, como puede ser la programación basada en registros y memoria compartida, se puede optimizar el uso de la computadora para un procesamiento avanzado al adquirir, analizar y presentar resultados de las mediciones requeridas de forma virtual, con esto se da origen al término de instrumentación virtual. Con el uso de instrumentos virtuales se puede tener una gran variedad de dispositivos de instrumentación, respaldados por rutinas de software que permitan la creación de interfaces graficas de usuario de alta resolución y flexibilidad.
Entonces, instrumentación programable se define como una interfaz grafica de usuario en una computadora controlando a un instrumento tradicional mediante un medio de comunicación GPIB o RS 232; una GUI es una PC controlando a una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) o a un modulo VXI mediante la comunicación GPIB. La instrumentación virtual se define como una GUI sin instrumentos físicos conectados a una computadora.
Descripción del sistema de instrumentación para el dispositivo de medición de corriente.
Teniendo en cuenta las características principales de un sistema de instrumentación, es necesario tener en cuenta un diagrama a bloques que nos otorgue el desarrollo del sistema de manera que este se pueda adecuar a un sistema básico de instrumentación.
El dispositivo utilizado como transductor mide el paso de corriente en forma de voltaje, esto es, que por cada medición en escala de amperes, nuestro sensor nos otorga una señal de voltaje de corriente alterna. Este tipo de transductor nos ofrece cierta ventaja ya que existen otros que reducen la medición de corriente a una escala y la variable eléctrica a acondicionar ahora es la de la corriente. También se debe tomar en cuenta que tipo de aplicación o que proximidad tendrá el objetivo con el instrumento de medición, ya que está comprobado que para sistemas remotos es más conveniente tratar señales de corriente que de voltaje, ya que si la señal recorriera grandes distancias la caída de tensión tendría que considerase.
La siguiente etapa es la de procesamiento analógico de la señal, en este punto se debe obtener una señal acorde a nuestras necesidades. Los principales procesos de acondicionamiento son amplificación y filtrado, necesarias en muchos de los procesos de instrumentación. La amplificación, como su nombre lo expresa, consiste en incrementar el valor de magnitud de la señal para así poder manipularla. En electrónica se utilizan los amplificadores operacionales para realizar dicho proceso, es por eso que es conveniente saber que tipo de configuraciones existen.
Cuando la señal que se desea amplificar tiene una referencias a un nivel bajo de tensión (tierra), o un nivel que no varia demasiado con el tiempo es conveniente utilizar la configuración inversora del amplificador operacional. El principal objetivo de la configuración inversora de un amplificador operacional es la de otorgar una señal eléctrica amplificada y a su vez con fase contraria (desfasada 180°) a la señal de entrada. De acuerdo con las especificaciones de las hojas de datos de diversos amplificadores, la frecuencia tiene un efecto importante sobre las características de la señal de salida, principalmente en la magnitud.
Una configuración inversora consiste primordialmente en cuatro elementos, señal de entrada, señal de salida y resistencias de amplificación.
La relación de amplificación se define por la siguiente ecuación:
En dicha relación se observa que la ganancia de amplificación se da por la razón de las resistencias asociadas al circuito.
Cuando se requiere amplificar la diferencia de tensión que existe entre dos señales proporcionadas por uno o varios transductores, es necesario implementar un dispositivo que otorgue dicha función, los amplificadores de instrumentación son los dispositivos encargados de realizar dicha operación. La finalidad principal de estos dispositivos radica en que muchas aplicaciones de amplificación, dentro de un sistema de instrumentación, existe la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de micro volts o pocos mili volts en la presencia de comparativamente grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes, como ser motores, tubos de iluminación de descarga gaseosa, y la siempre presente inducción de la frecuencia de línea de alimentación. Para realizar la medición el amplificador debe tener una relación de rechazo de modo común de acorde a la aplicación establecida. Ya que nuestro interés es el de amplificar la diferencia que existe entre las señales, una medición sin diferencia, señales comunes, ocasiona un CMRR inferior, es por eso que lo que se busca en este tipo de aplicaciones es un CMRR elevado y así realizar una medición adecuada a nuestras necesidades.
La relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) matemáticamente se expresa como:
Donde:
· AD= Amplificación Diferencial.
· ACM= Amplificación Modo Común.
El amplificador de instrumentación más simple es que implementa un solo amplificador operacional. El esquema representativo es el siguiente.
El valor de Vo es proporcional al voltaje diferencial de entrada.
Un segundo amplificador de instrumentación es el que utiliza dos amplificadores operacionales.
Para el voltaje de salida en modo común, la siguiente expresión define su valor respecto al circuito.
Y la ecuación para obtener el CMRR es la siguiente:
El CMRR tiende a incrementar conforme aumenta la amplificación diferencial, el apareamiento de las resistencias hace que este valor tienda a infinito.
El último amplificador de instrumentación involucra el uso de 3 amplificadores operacionales.
Y el valor del CMRR es:
Los siguientes diagramas muestran los circuitos de las realizaciones físicas de una configuración inversora y un amplificador de instrumentación, respectivamente.
Circuito de pruebas de configuración inversora.
Circuito de pruebas de amplificador de instrumentación(diferencial).
Un filtro elimina componentes frecuenciales no requeridos en una señal, estas componentes pueden ser ocasionadas por interferencias, ruidos aleatorios e incluso algunos transductores en su medición producen dichas componentes parásitas.
Existen cuatro tipos de filtros, clasificados por la banda frecuencial permitida, LPF (Filtro Pasa Bajas), HPF (Filtro Pasa Altas), BPF (Filtro Pasa Bandas) y RBF (Filtro Rechazo de Bandas). En términos generales el funcionamiento de un filtro consiste en permitir el paso de componentes espectrales hasta una determinada frecuencia (LPF) o suprimir dichas componentes hasta dicha frecuencia (HPF). La frecuencia en donde ocurre el límite permitido es la frecuencia de corte (fc). Para los filtros BPF y RBF, existen dos frecuencias de corte ya que su naturaleza es el permitir o suprimir umbrales frecuenciales en un ancho de banda entre las frecuencias de corte.
El uso de aproximaciones permite la implementación de filtros de forma práctica, ya que un filtro ideal es prácticamente imposible de realizar. La selección de la aproximación para el diseño de un filtro implica restricciones y depende principalmente de la aplicación deseada y sus factores de diseño, como precisión, costo y tiempo de respuesta. Otra característica importante es el orden del filtro, el cual determina la precisión y mejor resolución respecto al filtro ideal, incrementando el costo de la realización.
Las siguientes graficas muestran el comportamiento frecuencial de algunos tipos de filtros FIR diseñados utilizando el método de ventanas.
Los siguientes diagramas son circuitos de la realización física de filtros.
LPF 2 polos f c =800Hz Aproximación Butterworth.
LPF 3 polos f c =1500Hz Aproximación Bessel.
Al obtener una señal acondicionada, la siguiente etapa es la de digitalizar dicha señal. La herramienta que nos otorga Labview es la de procesar la señal analógica acondicionada, atraves del uso de software, con esto podremos utilizar las propiedades de conversión de analógico a digital, promediado de la señal, captura de datos deseados en un archivo, despliegue de señales medidas en tiempo real, etc. La interfaz que ayuda a que esto sea posible, conexión de la computadora con el circuito de acondicionamiento, es la tarjeta de adquisición de datos, que soporta la entrada de señales analógicas y facilita en gran medida el mejor procesamiento de la misma. La principal función del dispositivo DAQ es la de ser el interprete entre el procesamiento digital de la computadora y la señal analógica física de la medición.
La siguiente etapa también consiste en un acondicionamiento de la señal, peso se realiza de manera digital o virtual (instrumentación virtual). Dentro de las posibilidades que se tienen al utilizar Labview se encuentran las funciones de análisis de señal, son funciones que contienen análisis frecuencial, medida de amplitud y nivel, medición de tiempos y retardos, aproximaciones de funciones a partir de datos, filtrado, análisis estadístico, entre otras.
Existen también las funciones numéricas, lógicas, comparación, trigonométricas, logarítmicas, estadística, probabilidad etc.
Funciones aritméticas.
Funciones lógicas.
Funciones de comparación.
Funciones trigonométricas.
Funciones logarítmicas y exponenciales.
Funciones estadísticas.
Funciones probabilísticas.
Estas son algunas de las funciones que nos proporciona el software utilizado para completar el sistema de instrumentación, que corresponde a la etapa de despliegue de datos, interpretación y visualización para el usuario de la medición inicial de la variable física a medir o controlar.
Diseño del circuito de acondicionamiento de señal.
Para realizar el diseño del circuito amplificador se utilizo el paquete Multisim 9, logrando realizar el circuito descrito a continuación.
Simulación y realización.
Se realizaron pruebas de verificación del circuito, con el fin de comprobar su adecuado funcionamiento.
Ya que nuestras simulaciones otorgaron resultados satisfactorios, se continúo con la fase de implementación física y realización del circuito. Las siguientes imágenes muestran el resultado final del circuito realizado.
Circuito impreso.
Gabinete de protección.
Transductor y circuito de acondicionamiento analógico.
Instrumento de medición de corriente.
Programa de adquisición y despliegue de información mediante el uso de Labview.
Autor:
Casanova Arteaga Ramses
Casanova Arteaga Ruben
Martin Valtierra Rodrigez
Universidad de Guanajuato
FIMEE
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica y Electrónica
Materia: Taller de Mecatrónica 1
12 de Diciembre de 2007, Salamanca Gto.
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